一種基于激光氧化法的p型硅太陽(yáng)能電池pn結(jié)結(jié)深測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法，利用激光能量高，局部加熱效果好的特點(diǎn)，在純氧環(huán)境下，對(duì)硅表面進(jìn)行加熱氧化，然后逐層去除氧化層，達(dá)到逐層剝離表層硅材料的目的；由于激光加熱在純氧環(huán)境下進(jìn)行，形成的氧化物固定了表層的雜質(zhì)，減少了表層雜質(zhì)的揮發(fā)；并且本發(fā)明利用磷元素易在氧化層/硅界面富集的原理，針對(duì)通過(guò)熱擴(kuò)散所形成的擴(kuò)散區(qū)表面濃度大，體內(nèi)濃度小的特點(diǎn)，使得磷元素由于熱作用而導(dǎo)致的雜質(zhì)濃度降低的現(xiàn)象受到抑制，從而降低雜質(zhì)產(chǎn)生再分布對(duì)測(cè)量精度的干擾。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明測(cè)深測(cè)量方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)量精確，測(cè)量成本低。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于激光氧化法的PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法，屬于太陽(yáng)能電池性能參數(shù)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]PN結(jié)是微電子和太陽(yáng)能行業(yè)器件的基本構(gòu)成部件，PN結(jié)質(zhì)量的好壞直接影響電子元件性能。因此，對(duì)于PN結(jié)結(jié)構(gòu)的測(cè)試變得非常重要。其中，PN結(jié)的結(jié)深作為PN結(jié)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)是測(cè)試重點(diǎn)之一。目前，主要的PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法有:染色法、陽(yáng)極氧化法、電化學(xué)電容電壓測(cè)試法等。染色法主要是利用硫酸銅染色液與硅之間的置換反應(yīng)，通過(guò)適當(dāng)掌握置換反應(yīng)的時(shí)間將電勢(shì)更高的N型硅染成銅紅色來(lái)表征N型區(qū)。這個(gè)方法的測(cè)試成本低，但對(duì)于染色的工藝要求高，染色時(shí)間控制難度大，工藝復(fù)雜程度高，重復(fù)性差。陽(yáng)極氧化法是以硅片為陽(yáng)極、鉬絲為陰極，置于純水中進(jìn)行電氧化。該方法需要對(duì)樣品進(jìn)行磨角以形成傾斜的PN結(jié)光滑斜面，通過(guò)電解水在斜面上生成二氧化硅氧化層。由于氧化時(shí)不同的雜質(zhì)含量與氧化層的厚度存在一定的關(guān)系，通常雜質(zhì)濃度高的地方氧化層厚些，雜質(zhì)濃度低的地方氧化層薄些，而結(jié)區(qū)的雜質(zhì)補(bǔ)償作用使得該處形成的氧化層最薄，通過(guò)對(duì)于氧化層顏色的比較就可以清晰的分辨PN結(jié)的結(jié)深。但是該方法需要對(duì)硅片進(jìn)行磨角，工藝要求高，氧化時(shí)要使得磨角面恰好接觸水面，測(cè)試程序復(fù)雜，工藝難度高。
[0003]針對(duì)陽(yáng)極氧化法的缺點(diǎn)，人們開(kāi)發(fā)出了基于四探針測(cè)試的陽(yáng)極氧化法測(cè)量結(jié)深的測(cè)試方法。如論文《四探針測(cè)半導(dǎo)體材料雜質(zhì)分布》——佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第19卷第I期和中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN 101692062A，，提出的在硅片上使用電化學(xué)法(陽(yáng)極氧化法)生長(zhǎng)氧化層，然后用氫氟酸腐蝕掉氧化層，清潔干燥后用四探針?lè)y(cè)量薄層電阻。該方法與染色法比具有操作相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果較為精確。
[0004]但上述兩種方法因需要多次對(duì)硅片進(jìn)行在液體中的電化學(xué)生長(zhǎng)，因此對(duì)陽(yáng)極氧化法工藝要求高，難以保留不同深度的測(cè)試點(diǎn)，樣品測(cè)試的可重復(fù)性較差，樣品制備難度大，樣品制備時(shí)間長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于:克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法，能夠簡(jiǎn)單易行的實(shí)現(xiàn)PN結(jié)結(jié)深測(cè)量。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法，包括如下步驟:
第I步、去除N-P型硅片表面的氧化層；
第2步、將所述硅片置于激光處理腔體中，并通入純氧，腔體內(nèi)純氧的最佳氣壓為1.05個(gè)大氣壓；
第3步、利用脈沖型激光對(duì)硅片正面進(jìn)行加熱處理，使硅片的上表面層被氧化，每次執(zhí)行本步驟時(shí)，采用的激光波長(zhǎng)為980nm或1064nm，激光的脈沖頻率為25_35Hz，每平方厘米激光作用的時(shí)間為15-25s ；
第4步、取出硅片，利用氫氟酸溶液去除硅片表面的氧化層；
第5步、清潔干燥后，測(cè)量硅片最薄處的減薄深度，并利用四探針測(cè)量該處硅片表面電阻值，并記錄數(shù)據(jù)；
第6步、重復(fù)第2步-第5步直到硅片表面電阻值與襯底的電阻相同，轉(zhuǎn)至第7步；
第7步、將樣品電阻值最大的區(qū)域劃分為4塊，并分別在純氧環(huán)境下利用波長(zhǎng)為980nm或1064nm，脈沖頻率為25_35Hz的激光，進(jìn)行每平方厘米硅片上5秒、10秒、15秒和20秒的加熱處理，然后去除表面氧化層并依次利用四探針測(cè)試硅片這4塊區(qū)域的表面電阻值，硅片表面電阻值突然變小處所對(duì)應(yīng)的硅片減薄深度為PN結(jié)結(jié)深；
第1次執(zhí)行第3步時(shí)，激光加熱硅片的面積為N*A ;第2次執(zhí)行第三步時(shí)，激光加熱硅片的面積為(N-1) *A，以此類(lèi)推，第N次執(zhí)行第三步時(shí)，激光加熱硅片的面積為A，第i次激光加熱區(qū)域在第1-Ι次激光加熱區(qū)域的范圍內(nèi)，其中，i=2，3，…，N，N的取值范圍為10-25。
[0007]本發(fā)明基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于:
1、每次執(zhí)行第3步時(shí)，A=IOmmXIOmm ；
2、第5步和第7步中，利用 臺(tái)階儀測(cè)量硅片最薄處的減薄深度。
[0008]此外，本發(fā)明還提供了一種基于激光氧化法的N-P型太陽(yáng)能電池磷雜質(zhì)分布測(cè)量方法，包括如下步驟:
第I步、去除N-P型硅片表面的氧化層；
第2步、將所述硅片置于激光處理腔體中，并通入純氧，腔體內(nèi)純氧的最佳氣壓為1.05個(gè)大氣壓；
第3步、利用脈沖型激光對(duì)硅片正面進(jìn)行加熱處理，使硅片的上表面層被氧化；
第4步、取出硅片，利用氫氟酸 溶液去除硅片表面的氧化層；
第5步、清潔干燥后，測(cè)量硅片最薄處的減薄深度，并利用四探針測(cè)量該處硅片表面電阻值，并將硅片表面電阻值轉(zhuǎn)化為磷的濃度，并記錄數(shù)據(jù)；
第6步、重復(fù)第2步-第5步直到硅片表面電阻值與襯底的電阻相同，并繪制硅片減薄深度-磷濃度曲線圖曲線圖，即獲得反應(yīng)雜質(zhì)濃度分布情況的磷濃度分布曲線；
第1次執(zhí)行第三步時(shí)，激光加熱硅片的面積為N*A ;第2次執(zhí)行第三步時(shí)，激光加熱硅片的面積為(N-1) *A，以此類(lèi)推，第N次執(zhí)行第三步時(shí)，激光加熱硅片的面積為A，第i次激光加熱區(qū)域在第i_l次激光加熱區(qū)域的范圍內(nèi)，其中，i=2，3，…，N，N的取值范圍為10-25。
[0009]本發(fā)明基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池磷雜質(zhì)分布測(cè)量方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于:
1、每次執(zhí)行第3步時(shí)，采用相同波長(zhǎng)和脈沖頻率的脈沖型激光對(duì)硅片正面進(jìn)行加熱處理，采用的激光波長(zhǎng)為980nm或1064nm，激光的脈沖頻率為25_35Hz，每平方厘米激光作用的時(shí)間為15-25s ；
2、每次執(zhí)行第3步時(shí)，A=IOmmXIOmm ；
3、第5步中，利用臺(tái)階儀測(cè)量硅片最薄處的減薄深度。
[0010]一般來(lái)說(shuō)，利用擴(kuò)散方法獲得的PN結(jié)為緩變結(jié)，從硅表面向結(jié)的位置，雜質(zhì)濃度逐步降低，這就意味著如果將硅材料逐層除去，所測(cè)得的表面電阻率逐步增加。到達(dá)PN結(jié)后，電阻率最高，繼續(xù)去除硅材料，材料的電阻率又會(huì)逐步下降到與襯底的電阻率相同。因此利用逐層氧化的手段對(duì)硅片減薄，通過(guò)測(cè)其電阻獲取PN結(jié)所在位置。
[0011]與傳統(tǒng)方法不同的是，本發(fā)明利用激光氧化法對(duì)硅片進(jìn)行逐層氧化。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，采用熱氧化法氧化硅片時(shí)，會(huì)導(dǎo)致硅片內(nèi)雜質(zhì)產(chǎn)生再分布(參見(jiàn)論文《四探針測(cè)半導(dǎo)體材料雜質(zhì)分布》章節(jié)1.3)，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重干擾?？紤]到這點(diǎn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員在測(cè)量PN結(jié)深或硅片內(nèi)雜質(zhì)分布時(shí)，皆采用陽(yáng)極氧化法。而本發(fā)明克服傳統(tǒng)技術(shù)的偏見(jiàn)，采用激光熱氧化法實(shí)現(xiàn)了對(duì)N-P型硅片結(jié)深的精確測(cè)量。本發(fā)明從幾個(gè)方面保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，從而使激光氧化法能夠適用于N-P型硅片的結(jié)深測(cè)量。第一，對(duì)樣品區(qū)域進(jìn)行陣列式掃描激光點(diǎn)加熱的方式，使激光的作用時(shí)間短，能夠良好地控制硅片的熱氧化區(qū)域及氧化程度，由于硅片是熱的良好導(dǎo)體，硅片能夠迅速回到低溫狀態(tài)，減少雜質(zhì)產(chǎn)生再分布；第二，本發(fā)明結(jié)合激光的選型、波長(zhǎng)、照射時(shí)間、以及腔體內(nèi)純氧的氣壓進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)、比對(duì)，最終獲取了最理想的工藝參數(shù)，能夠確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確；第三，硅片受激光加熱區(qū)域內(nèi)的磷元素會(huì)一定程度的向下擴(kuò)散，本發(fā)明利用磷元素易在氧化層/硅界面富集的原理，針對(duì)通過(guò)熱擴(kuò)散所形成的擴(kuò)散區(qū)表面濃度大，體內(nèi)濃度小的特點(diǎn)，使得磷元素由于熱作用而導(dǎo)致的雜質(zhì)濃度降低受到抑制，從而進(jìn)一步降低雜質(zhì)產(chǎn)生再分布對(duì)測(cè)量精度的干擾。
[0012]綜上，本發(fā)明利用激光能量高，局部加熱效果好的特點(diǎn)，在純氧環(huán)境下，對(duì)硅表面進(jìn)行加熱氧化，然后逐層去除氧化層，達(dá)到逐層剝離表層硅材料的目的。一般來(lái)說(shuō)，加熱會(huì)導(dǎo)致硅表層雜質(zhì)的揮發(fā)，但是在氧化條件下，形成氧化物固定了表層的雜質(zhì)，減少了表層雜質(zhì)的揮發(fā)。本發(fā)明采用脈沖型激光陣列式掃描點(diǎn)加熱的方式進(jìn)行氧化加熱可以大大減小激光的熱驅(qū)動(dòng)力對(duì)雜質(zhì)二次分布的影響。通過(guò)這些工藝控制，可以有效地提高測(cè)試的精度和可靠性。
[0013]本發(fā)明對(duì)硅片進(jìn)行的多次循環(huán)激光氧化，并且后一次激光氧化區(qū)域位于前一次的激光氧化區(qū)域內(nèi)，最終得到的硅片正面形成階梯狀結(jié)構(gòu)，最終獲得到硅片能夠完整的保留每次激光氧化后的硅片狀態(tài)信息，可對(duì)不同深度位置進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，可以得到準(zhǔn)連續(xù)的雜質(zhì)濃度分布。正是因?yàn)椴捎眠@種激光氧化方式，才能針對(duì)電阻最大區(qū)域進(jìn)行二次精細(xì)氧化測(cè)試，確保測(cè)量精度的精確性。
[0014]實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明測(cè)深測(cè)量方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)量精確，測(cè)量成本低。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0016]圖1是本發(fā)明激光氧化區(qū)域示意圖。
[0017]圖2是硅片減薄深度-硅片表面電阻值曲線圖。
[0018]圖3為本發(fā)明第7步中測(cè)得的硅片減薄深度-硅片表面電阻值曲線圖。
[0019]圖4是硅片減薄深度-磷摻雜濃度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]本發(fā)明實(shí)施例基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法，包括如下步驟:
第I步、利用氫氟酸溶液去除P型硅太陽(yáng)能電池表面的氧化層并進(jìn)行干燥。
[0022]第2步、將硅片置于激光處理腔體中，并通入純氧，腔體內(nèi)純氧的最佳氣壓1.05個(gè)大氣壓。
[0023]第3步、利用波長(zhǎng)為1064nm頻率為35Hz的脈沖型激光對(duì)硅片正面進(jìn)行加熱處理，使硅片的上表面層被氧化，每平方厘米激光作用時(shí)間為25秒。第I次執(zhí)行本步驟時(shí)，激光加熱硅片的面積為20*100_2 ;第2次執(zhí)行本步驟時(shí)，激光加熱硅片的面積為19*100_2，以此類(lèi)推，第20次執(zhí)行本步驟時(shí)，激光加熱硅片的面積為IOOmm2 ;第2次激光加熱區(qū)域在第I次激光加熱區(qū)域的范圍內(nèi)，第3次激光加熱區(qū)域在第2次激光加熱區(qū)域的范圍內(nèi)其中，以此類(lèi)推。如圖1所示為本實(shí)施例計(jì)劃執(zhí)行激光加熱區(qū)域示意圖，若本步驟共執(zhí)行20次，則第I次激光加熱氧化的區(qū)域?yàn)锳1-A20，第2次激光加熱氧化的區(qū)域?yàn)锳2-A20，第3次激光加熱氧化的區(qū)域?yàn)锳3-A20，以此類(lèi)推，第20次激光加熱氧化的區(qū)域?yàn)锳20，可見(jiàn)，圖1中Al區(qū)進(jìn)行了一次激光加熱氧化，A2區(qū)進(jìn)行了 2次激光加熱氧化，以此類(lèi)推，A20區(qū)進(jìn)行了 20次激光加熱氧化。但本步驟的實(shí)際循環(huán)執(zhí)行次數(shù)以第5步的判斷條件為準(zhǔn)。圖中標(biāo)號(hào)I為硅片。
[0024]第4步、取出硅片，利用氫氟酸溶液去除硅片表面的氧化層。
[0025]第5步、清潔干燥后，利用臺(tái)階儀測(cè)量硅片最薄處的減薄深度，并利用四探針測(cè)量該處硅片表面電阻值，并記錄數(shù)據(jù)。
[0026]第6步、重復(fù)第2步-第5步直到硅片表面電阻值與襯底的電阻相同，繪制硅片減薄深度-硅片表面電阻值曲線圖(見(jiàn)圖2)，逐漸變大的硅片表面電阻值突然變小處所對(duì)應(yīng)的硅片減薄深度即可認(rèn)為是PN結(jié)結(jié)深大致位置。本例中第3步執(zhí)行13次后，硅片表面電阻值與襯底的電阻相同，即可停止循環(huán)。
[0027]第7步、在第12次激光加熱后，區(qū)域A12的電阻值最大，將此樣品區(qū)域A12分為4塊，分別應(yīng)用激光進(jìn)行每平方厘米硅片上5秒、10秒、15秒和20秒的加熱處理后，去除表面氧化層并依次利用四探針測(cè)試硅片這4塊區(qū)域的表面電阻值，硅片表面電阻值突然變小處所對(duì)應(yīng)的硅片減薄深度為PN結(jié)結(jié)深。如圖3所示，本實(shí)施例中，所得電阻測(cè)試結(jié)果表明該硅片的PN結(jié)結(jié)深約在275nm±5nm位置。
[0028]此外，本發(fā)明基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池磷雜質(zhì)分布測(cè)量方法，則在上述結(jié)深測(cè)量方法基礎(chǔ)之上進(jìn)一步換算獲得，具體來(lái)說(shuō):
前6步都相同，第5步中，通過(guò)利用四探針測(cè)量硅片表面電阻值，并將硅片表面電阻值根據(jù)公式計(jì)算轉(zhuǎn)化為磷的濃度，且記錄數(shù)據(jù)；第6步中，則繪制硅片減薄深度-磷濃度曲線圖，即獲得反應(yīng)雜質(zhì)濃度分布情況的磷濃度分布曲線(見(jiàn)圖4)。
[0029]可見(jiàn)本發(fā)明方法簡(jiǎn)單易行，成本低，檢測(cè)效率高；由于第3步每次激光氧化的減薄厚度大約20-23nm，因此本方法精度較高，具有工業(yè)運(yùn)用價(jià)值。
[0030]除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于激光氧化法的P型硅太陽(yáng)能電池PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法，包括如下步驟: 第I步、去除N-P型硅片表面的氧化層； 第2步、將所述硅片置于激光處理腔體中，并通入純氧，腔體內(nèi)純氧的最佳氣壓為1.05個(gè)大氣壓； 第3步、利用脈沖型激光對(duì)硅片正面進(jìn)行加熱處理，使硅片的上表面層被氧化，每次執(zhí)行本步驟時(shí)，采用的激光波長(zhǎng)為980nm或1064nm，激光的脈沖頻率為25_35Hz，每平方厘米硅片上激光作用的時(shí)間為15-25s ； 第4步、取出硅片，利用氫氟酸溶液去除硅片表面的氧化層； 第5步、清潔干燥后，測(cè)量硅片最薄處的減薄深度，并利用四探針測(cè)量該處硅片表面電阻值，并記錄數(shù)據(jù)； 第6步、重復(fù)第2步-第5步直到硅片表面電阻值與襯底的電阻相同，轉(zhuǎn)至第7步； 第7步、將樣品電阻值最大的區(qū)域劃分為4塊，并分別在純氧環(huán)境下利用波長(zhǎng)為980nm或1064nm，脈沖頻率為 25_35Hz的激光，進(jìn)行每平方厘米硅片上5秒、10秒、15秒和20秒的加熱處理，然后去除表面氧化層并依次利用四探針測(cè)試硅片這4塊區(qū)域的表面電阻值，硅片表面電阻值突然變小處所對(duì)應(yīng)的硅片減薄深度為PN結(jié)結(jié)深； 第1次執(zhí)行第3步時(shí)，激光加熱硅片的面積為N*A ;第2次執(zhí)行第三步時(shí)，激光加熱硅片的面積為(N-1) *A，以此類(lèi)推，第N次執(zhí)行第三步時(shí)，激光加熱硅片的面積為A，第i次激光加熱區(qū)域在第1-Ι次激光加熱區(qū)域的范圍內(nèi)，其中，i=2，3，…，N，N的取值范圍為10-25。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光氧化法的PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法，其特征在于:每次執(zhí)行第 3 步時(shí)，A=IOmmX 10mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光氧化法的PN結(jié)結(jié)深測(cè)量方法，其特征在于--第5步和第7步中，利用臺(tái)階儀測(cè)量硅片最薄處的減薄深度。
【文檔編號(hào)】G01B21/18GK103557827SQ201310496422
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】花國(guó)然, 王強(qiáng), 徐影, 鄧潔, 胡傳志 申請(qǐng)人:南通大學(xué)